基于伽利略卫星网络的GPS系统设计

2008-05-27 14:31:00来源: 电子工程专辑

  全球定位系统(GPS)功能正在快速成为消费电子应用的主要市场驱动力,也逐渐成为在各式各样新一代消费类电子设备中脱颖而出的重要差异点。无论是汽车、个人导航设备乃至蜂窝手机等应用都加入了精确的定位能力。此外,有许多先进的GPS服务也正在开发中,例如基于定位的广告。事实上,能够在地图上定位用户的功能足以推动GPS成为主流设备,但前提是不必大幅增加整体材料清单(BOM)成本和处理器负荷。

  然而,要做到以消费者愿意支付的价格提供他们所期待的GPS性能和精度,开发商必须熟悉一些在消费类电子设备中实现GPS功能的关键技术,特别是全新的伽利略(Galileo)卫星网络。在伽利略卫星提供的辅助信号帮助下,个人导航设备将较只有GPS功能的设备可以更快速和更精确地采集和锁定位置,特别是在最需要位置定位服务、但GPS精度又不够的城市环境中。此外,随着创新技术如软件基带处理(类似于软件定义的无线电)的面世,制造商可以在不影响成本及功耗的情况下,把定位技术引入至个人多媒体播放器和手机之类的设备中。所有这些因素都使得伽利略与GPS的结合成为引人注目的技术。

  伽利略: 有效弥补GPS网络的不足

  伽利略卫星是在欧盟赞助下开发和推行的一种平行式全球定位卫星网络。伽利略卫星的开发并不是为了与GPS竞争,而是与其协同工作。伽利略卫星将在多个频段内传输信号,其中之一是跟GPS一样的L1波段频率,并且该波段频率在互补轨道的GPS卫星之间是有间隔的,这样,某个具体位置能捕获到的信号量就会大增,这对于高楼林立的城市中接收设备的精度影响很大。要获得足够的位置锁定信号,至少需要四颗卫星,基于伽利略/GPS的个人导般设备可同时使用来自两个系统的卫星,也就是说可以有更多卫星信号。实际上,这种高级别的精度足以让个人导航设备能够确定路上行人正往哪一边行走。

  GPS面世至今已经有30多年历史。1978年,第一批探索卫星被送上了太空;1989年,第一批实用卫星被投放至轨道上。GPS于1993年达到了初始运作能力(IOC),并于1995年实现了全面运作能力(FOC)。GPS由美国国防部管理,最初并不是特别为商业市场而设计的。

  在效果上,伽利略是对GPS的有效补充。由于伽利略可用的信号数量更多,而且不受某一国政府机构的控制(例如可以不经警告就停止服务或改变卫星的精度),所以能提供比GPS更高的精度(在商业应用方面,伽利略的精度为+/-4m,而GPS的精度为+/-10m)。

  目前,伽利略测试卫星GIOVE-A已经部署,并验证了该技术所有重要的传输机制。随着部署的深入开展,27颗伽利略卫星将会被运送到轨道上。由于目前的产品开发周期很长,许多OEM厂商已经着手考虑推行基于伽利略/GPS的架构,并让相关产品逐渐进入市场,以便一旦伽利略系统正式运作,消费者就能够立即享用到优势。在理想情况下,这些设备目前只运用GPS工作,但当伽利略卫星定位系统建成后,就可以快速升级到采集伽利略的信号。即使OEM商没有计划升级已经投放的设备,现在就设计能同时支持这两种系统的架构,便可以避免当伽利略系统建成时,产品上市时间延迟和错失商机。

  现今的GPS架构由天线、射频(RF)接收器、基带处理器和连接到应用处理器的输出总线接口组成(见图1)。这样的传统设备既不受功率约束的限制,也不需要太多的灵活性,因为它们是针对特定设备(如车载GPS)而开发的,所以接收器硬件的性能可以得到高度优化。它们的无线部分不管是硬件还是软件都几乎没有可配置能力或者不需要这种能力。它们常常以模块的形式出售给制造商,因此,OEM商没有必要掌握更多有关RF设计和测试的细节要点。

  

  图1:基于硬件基带处理的GPS架构方框图

  尽管在针对特殊应用的实施方案中节省了大量成本,但是维护支持伽利略和GPS两个截然不同的射频子系统所需的成本却远远超过了消费市场能够承受的能力。更为重要的是,两个射频部分所占据的空间和消耗的功率翻了一番,而且还需要为应用处理器提供两条总线接口。在这种情况下,把这些射频部分集成为一个子组件就可以减少整体成本、复杂性和功耗。

  事实上,因为GPS和伽利略采用相同的频段(中心频率为1.575 GHz),所以有可能两套系统共享一个射频部分。然而,在信号采集方式上的微小差异则需要以可配置的方式来实现。特别是伽利略信号采用4MHz带宽,而GPS采用2MHz带宽,并且执行一套不同的编码方案。从基带的观点来看,这些调制方案都可以利用关联器进行解调,因此可以采用一个基带处理器,并通过独立配置一个灵活的关联器模块来同时解调伽利略和GPS这两种信号。

  利用未充分使用的计算能力

  传统的基带处理都是通过硬件实现的。然而,伽利略信号方案目前尚未最终完成,如果现在以硬件方式实现,就需要重新配置基带(只能用软件实现)的灵活性,以根据最终标准作出必要的修改。此外,基于硬件的实现方案通常很不灵活,难以通过修改来适应为了改进性能和精度而采用的新的信号处理算法。

  以高性价比的方式实现伽利略/GPS功能的关键,就是利用现有架构中未被充分使用的计算能力,在软件中实现一部分的基带处理功能。例如,手机有一个应用处理器负责处理与通信无关的所有功能,随着人们对多媒体服务(如音乐和视频播放)兴趣的与日俱增,这种处理器已经变得越来越强大。然而,当这些服务不使用时,应用处理器常常处于闲置状态,一般来说会被断电,以降低它消耗的功率。

  

  图2:利用双硬件架构与基于软件的架构实现的伽利略/GPS系统方框图。

  当基带处理可以在应用处理器上以软件实现的时候,消费型伽利略/GPS接收器就有可能成真。在这种方式中,由于一个接收器硬件已可支持多个卫星系统,所以基于软件的伽利略/GPS 就相当于软件定义的无线电(SDR)。此外,随着无线通信技术不断融合,可以预见在不远的将来,消费电子设备将利用多功能无线电技术来支持蓝牙、WiFi和使用可配置软件基带实现的伽利略/GPS。

  开发商可以选择继续使用硬件来实现 GPS的基带处理,而利用未充分使用的主处理器资源在软件中执行伽利略的基带处理;又或者在软件中同时实现GPS和伽利略两种基带处理。这两种方法都能降低在消费应用中实现定位服务的成本,但在软件中同时实现这两种基带处理可以完全消除对硬件基带芯片的需求。

  特别是,如果在软件中推行基带处理,可以将伽利略/GPS系统的价格降低50% 以上。基于软件的伽利略/GPS系统预计在供货时能迅速达到1美元的价格点,而有助此目标成真的因素之一是功能软件本身的商业模式:当软件开发完成后,就不会有任何制造成本,而且软件一直以来都是与硬件捆绑销售,以作为促销硬件的手段。通过集成固定的基带处理技术(如关联技术)和射频电路还可以进一步节省成本(见图3)。此外,伽利略可以在任何时间加入到基于软件的基带设备之中而不增加整体的硬件成本。相对来说,如果是基于硬件的实现方案,推行伽利略的配置将增加设备的零售成本,但却不会马上为消费者带来价值。

  

  图3:被划分为软件和射频部分进行处理的各个功能方框图(即把关联功能从软件转移到无线部分进行处理)。

  软件基带处理是否可行可以由评估最坏情况下的加载来确定。对伽利略/GPS来说,峰值处理会在最初的信号采集过程中或定位丢失之后(例如在开车通过一条长隧道之后)出现。当锁定了位置后,基带处理的运算量就会大幅度下降,因为一旦系统掌握了位置信息,维持该位置信息就比较容易。

  当然,最坏情况下的处理是不应过分占用应用处理器的运算能力的,以免影响其它功能。初期的软件基带实现方案会消耗手机应用处理器(如ARM9) 多达66%的可用计算能力,不过,软件供应商预期能够把这个负荷降低到稍多于可接受的10到15%。

  达到这一目标的实现方式之一就是采用非实时技术。要把数据作为信号流实时地处理需要基于中断的处理能力,但这样会导致高开销,而且在不同应用中管理实时任务也很复杂。此外,由于处理器持续地被中断以处理各种信号,其电源就不是经常处于关闭状态,因此大大增加了整个系统的功耗。

  非实时处理采用的是一种突发方式,一次收集许多数据样本用于处理。虽然这会增加延迟,但这种少量的延迟是可以忽略的,并不会影响精度或用户体验。由于数据比较集中,所以当应用处理器没有忙于处理较高优先级的任务时,就可编排处理的日程进度。要注意的是,跟实时处理的情况不同,这个处理器并不会被定时唤醒后只去做基带处理;相反,当处理器被某个任务唤醒后,便会执行基带处理,这样,处理器后面就能够休眠比较长的时间。

  解决灵敏度的问题

  对于伽利略/GPS 接收器(特别是手机)来说,灵敏度是一个关键的性能和精度指示。信号采集要求(A-GPS系统中的)接收器上的信号电平在 -130到-155 dBm之间,大约比由 RF 前端模块所得的噪声电平低 19到34dB。关联器会把一个2MHz带宽的信号去扩展为一个50Hz的数据信号,从而提供43dB的关联增益,从而把有用信号提升到噪声电平以上,方便它们进行处理。然而,任何接近有用信号频率的其它通信信号或在有用频段的谐波都可能成为一种干扰源,并进一步降低接收器的灵敏度。

  最常见和最具破坏性的干扰源来自个人导航设备本身。例如,如果手机远离基站并以最大功率发射,这意味着在同一设备内1800MHz频点处可能有30dBm的信号,因而进一步导致伽利略/GPS信号在最坏情况下的灵敏度衰减。

  要克服内部传输干扰有若干方法。其一是由于发射信号是已知的,因此可以从伽利略/GPS信号中减去。另一种方法是,使用滤波器把蜂窝电话的干扰降低70dB以上,以保护输入的卫星信号。

  然而,如果GPS拥有2MHz的带宽而伽利略扩展至4MHz,那么双接收器架构就具有两个最佳的滤波器。GPS的调制方式为BPSK,而伽利略的调制方式为BOC(1,1),这样,两种信号都可以占用相同的信号带宽,然后关联器也能够从伽利略信号中辨别GPS信号,反之亦然。

  滤波器还适用于基带处理器。以硬件实现基带时,由于这些滤波器的参数是固定的,因此限制了无线部分的优化程度。但如果用软件实现基带滤波,这些参数就可以被改变,以匹配具体的信号条件。此外,随着滤波算法的发展,这些滤波器可以被应用到现有的架构上。即便各种手机的架构存在极大的差异,但这样的灵活性使单个双无线接收器架构就可以很好地应用于不同的产品线。

  灵敏度也可能因一个不良晶体或VCXO参考时钟而严重地降低。一般来说,时钟源越稳定,成本就越高,但采集时间也越快。例如,一个0.5ppm的参考时钟将使锁定时间达到40秒的数量级。如果采集时间不成问题,那么,2.5ppm的参考时钟就应该足够了。

  很多人都误以为GSM参考时钟可以生成稳定的伽利略/GPS参考时钟,其实不然。 GSM参考时钟是锁定到网络的,而且需要频繁进行频率修正。有时侯,这些修正是通过GSM基带驱动一个DAC来实现的,再由它驱动一个VCTCXO。参考时钟频率的渐进式变化将不会让伽利略/GPS接收器与卫星信号保持信号锁定,特别是在信号较弱的地方,这将导致定位丢失。所以,最安全的方法是针对伽利略/GPS子系统采用独立的时钟,但这样会增加整体设备的成本。开发商需要仔细考虑性能和成本之间的折衷,并在架构设计过程的早期避免开发出一个无法满足最低精度要求的设计。

  总而言之,伽利略系统可以改善全球定位服务的可用性和性能,而增加的精度能完美地补充GPS的不足。借助基于软件的基带处理功能,个人导航设备(包括手机和便携式媒体播放器)将能够充分发掘应用处理器的闲置处理能力,以高性价比的方式实现伽利略/GPS双无线子系统,进而改进消费者的全球导航方式。

关键字:伽利略卫星  滤波算法  GIOVE-A  VCXO  GPS系统  GPS接收器  卫星系

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/0527/article_694.html
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